การเร่งการแยกน้ำออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสเพื่อการผลิตกระดาษ

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับการดัดแปรด้วยกรดแลกติก (LA) เป็นแนวทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในการเร่งกระบวนการแยกน้ำออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลส (CNFs) เพื่อการผลิตกระดาษ เส้นใยนาโนเซลลูโลสเป็นที่ทราบกันว่ามีความสามารถในการกักเก็บน้ำสูง จึงทำให้กระบวนการระบายน้ำล่าช้าอย่างมาก ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการเตรียมกระดาษนาโนและการใช้งานนาโนเซลลูโลสอื่น ๆ วิธีนี้ลดเวลาระบายน้ำลง 75% จาก 45 นาทีเหลือ 10 นาที ผ่านปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันของหมู่ไฮดรอกซิลในเซลลูโลสด้วยกรดแลกติกภายใต้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ การดัดแปรนี้ยังลดความหนืดของสารแขวนลอย และได้รับการพิสูจน์ว่าสามารถขยายขนาดสู่ระดับอุตสาหกรรมได้ จึงเป็นวิธีที่นำไปใช้ได้จริงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอัตราการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ใช้เส้นใยนาโนเซลลูโลสเป็นวัสดุหลัก

การแยกน้ำอย่างรวดเร็วออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ดัดแปรด้วยกรดแลกติกภายใต้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์
(การศึกษาและภาพ: ©Sethi et al., 2018)

การเพิ่มประสิทธิภาพการแยกน้ำออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วยการดัดแปรโดยใช้กรดแลกติกร่วมกับคลื่นอัลตราซาวนด์

เส้นใยนาโนเซลลูโลส (CNFs) ได้รับการยอมรับว่ามีประโยชน์มากมายในการผลิตกระดาษ เช่น การเพิ่มความแข็งแรงและการปรับสมบัติทางรีโอโลยี อย่างไรก็ตาม ข้อเสียสำคัญประการหนึ่งคือการระบายน้ำออกจากสารแขวนลอยเส้นใยนาโนเซลลูโลสต้องใช้เวลานานมาก ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการเตรียมกระดาษนาโน ความท้าทายนี้ไม่เพียงส่งผลต่อการผลิตกระดาษนาโน แต่ยังเป็นอุปสรรคต่อการแปรรูปนาโนเซลลูโลสให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปอื่น ๆ ในระดับอุตสาหกรรมอีกด้วย เวลาระบายน้ำที่ยาวนานมีสาเหตุหลักจากความสามารถในการกักเก็บน้ำสูงของเส้นใยนาโนเซลลูโลส ซึ่งเป็นคอขวดในการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากเส้นใยนาโนเซลลูโลสไปใช้เชิงพาณิชย์
ด้านล่างนี้ เรานำเสนอผลการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ของ Sethi และคณะ (2018) ซึ่งพัฒนาวิธีดัดแปรเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วยกรดแลกติกโดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วย ทำให้การแยกน้ำออกจาก CNFs เร็วขึ้น 75% และเพิ่มสมบัติการใช้งานของวัสดุ

การดัดแปรเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วยกรดแลกติกโดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการพัฒนาแนวทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมโดยใช้น้ำเป็นตัวกลาง ร่วมกับพลังงานอัลตราซาวนด์และกรดแลกติก (LA) เพื่อดัดแปรพื้นผิวของเส้นใยนาโนเซลลูโลส วิธีนี้เร่งกระบวนการแยกน้ำได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยลดเวลาระบายน้ำได้สูงสุด 75%
กระบวนการดัดแปรประกอบด้วยการเจือจางสารแขวนลอยเส้นใยนาโนเซลลูโลสให้มีความเข้มข้น 0.35 wt.% และเติมกรดแลกติกในปริมาณต่าง ๆ เทียบกับปริมาณเส้นใยนาโนเซลลูโลสแห้ง (0.5 เท่า, 1 เท่า, 5 เท่า และ 10 เท่าของปริมาณเส้นใยนาโนเซลลูโลสแห้งในสารแขวนลอย) ผสมเส้นใยนาโน น้ำ และกรดแลกติกด้วยเครื่องกวนความเร็วสูงที่ 1500 rpm เป็นเวลา 5 นาที จากนั้นใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher UP400S ที่ติดตั้งหัวไทเทเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 22 mm) การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ดำเนินการที่ระดับพลังงานต่าง ๆ โดยมีพลังงานที่ถ่ายทอดเข้าสู่สารสูงสุด 600 J/ml ซึ่งสอดคล้องกับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 10 นาที

ผลต่อเวลาระบายน้ำ

การดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับกรดแลกติกมีผลอย่างมากต่อเวลาระบายน้ำของสารแขวนลอยเส้นใยนาโนเซลลูโลส สารแขวนลอยอ้างอิงใช้เวลาประมาณ 45 นาทีในการแยกน้ำ หลังจากดัดแปรด้วยกรดแลกติกโดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ช่วย เวลานี้ลดลงเหลือ 10 นาที ซึ่งคิดเป็นการปรับปรุง 75% แม้ใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ในระดับอ่อน (5 J/ml) เวลาระบายน้ำก็ลดลงครึ่งหนึ่งเหลือ 23 นาที เวลาระบายน้ำลดลงเมื่อพลังงานอัลตราซาวนด์เพิ่มขึ้น จนในที่สุดคงที่ที่ประมาณ 10 นาที
การปรับปรุงนี้เกิดจากการแทนที่หมู่ไฮดรอกซิลที่ชอบน้ำของเซลลูโลสด้วยส่วนที่ไม่ชอบน้ำของกรดแลกติก หมู่ไฮดรอกซิลเป็นสาเหตุหลักของความสามารถในการกักเก็บน้ำสูง กรดแลกติกซึ่งมีหมู่คาร์บอกซิลสามารถเข้าร่วมปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับหมู่ไฮดรอกซิลของเซลลูโลสภายใต้การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ทำให้เกิดโพรงสุญญากาศขนาดเล็กมากในตัวกลางของเหลว ซึ่งยุบตัวลงและก่อให้เกิดสภาวะรุนแรง (อุณหภูมิ 5000 K และความดัน 1000 atm) ที่เพียงพอต่อการเหนี่ยวนำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี รวมถึงเอสเทอริฟิเคชัน

พลังงานอัลตราซาวนด์เทียบกับเวลาระบายน้ำ (หน่วยเป็นนาที) สำหรับการเตรียมกระดาษนาโน (สอดคล้องกับตัวอย่าง CNF(1)LA)
พลังงานอัลตราซาวนด์ 100 J/ml สอดคล้องกับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 100 วินาที เป็นต้น
(การศึกษาและภาพ: ©Sethi et al., 2018)

การลดความหนืดของสารแขวนลอยเส้นใยนาโนเซลลูโลส

พลังงานอัลตราซาวนด์ยังช่วยลดความหนืดของสารแขวนลอยเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วย ความหนืดแปรผกผันกับพลังงานอัลตราซาวนด์ โดยพบความหนืดต่ำสุดที่ 600 J/ml รองลงมาคือ 300 J/ml และ 60 J/ml การลดความหนืดนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแยกน้ำได้อีก

ความสำคัญต่ออุตสาหกรรมของการดัดแปรเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์

วิธีดัดแปรด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ร่วมกับกรดแลกติกไม่เพียงมีประสิทธิผล แต่ยังเหมาะกับการใช้งานในอุตสาหกรรมด้วย เครื่องอัลตราซาวนด์ที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยของ Hielscher ซึ่งสามารถรองรับการแปรรูปปริมาณมาก สามารถดำเนินงานนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงทำให้วิธีนี้เหมาะสำหรับการดำเนินงานขนาดใหญ่
นอกจากนี้ แนวทางนี้ยังช่วยให้ผสมเส้นใยนาโนเซลลูโลสในแผ่นกระดาษได้สูงสุด 10 wt.% โดยแยกน้ำเสร็จภายในเวลาเพียง 2 นาที เทียบกับ 23 นาทีสำหรับเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ไม่ได้ดัดแปร การปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญนี้สามารถพลิกโฉมการใช้เส้นใยนาโนเซลลูโลสในการผลิตกระดาษ โดยเอาชนะอุปสรรคสำคัญประการหนึ่งในการนำไปใช้เชิงพาณิชย์

เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับเส้นใยนาโนเซลลูโลสและการผลิตกระดาษ

ตารางด้านล่างแสดงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี

เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นที่รู้จักอย่างดีในด้านมาตรฐานคุณภาพและการออกแบบที่สูงที่สุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ติดตั้งเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher สามารถรับมือกับสภาวะรุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อเรียกร้องสูงได้อย่างง่ายดาย

Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและเป็นมิตรต่อผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และผ่านข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs